摘要：利用扫描电镜、透射电镜、电子背散射衍射研究了2种不同Mg含量的6016合金的折弯性能与微观组织之间的关系。结果显示，折弯开裂受到无沉淀析出带和织构的影响。进一步分析表明，Mg含量影响了合金的相分布、织构比例，因此Mg含量是影响6016合金的折弯性能的重要因素。
折弯性能是6016合金能否应用于外板的重要评价指标之一。在折弯过程中，宏观的剪切变形起源于表面，逐渐扩展到整个板材厚度，最终引起材料断裂。针对微观组织在折弯过程中的演变规律和断裂机制，已经有大量的工作。如折弯性能依赖于固溶原子的数量，第二相颗粒的大小及密度，晶粒取向或者织构等；晶界处的沉淀相，Mg2Si或者Si容易成为裂纹源；轧制、固溶处理、时效和烘烤都会影响这些相的析出或者回溶，进而影响板材的最终的折弯性能等。
折弯开裂的直接原因是应变集中，即合金的折弯性能由第二相、宏观的剪切带、大角度晶界引起的微观孔洞支配。在折弯过程中，剪切带和孔洞的联合作用使合金表面产生塑性裂纹，6016合金采用风冷和水淬，由于冷却速度的不同，在晶界处产生不同尺寸的第二相，导致水淬之后板材的折弯性能要优于风冷的板材；晶面滑移在遇到大角度晶界时，由于晶界能太高而无法扩散到相邻晶粒，引起应力集中而导致开裂。因此，工程技术人员在设计6016合金时，均把如何避免在折弯过程中产生局部应力集中作为重要措施之一。
合金元素对6016合金折弯性能有明显影响，如加入过剩Si的作用是促进烘烤相应，增加烘烤强度，但是过多的强化元素会影响合金的折弯性能。目前，针对Mg含量对6016合金折弯性能的影响报道不多。因此，本课题以不同Mg含量的两种6016合金作为研究对象，试图了解相析出和织构的区别对合金折弯性能的影响，给实际工程设计提供参考。
1试验方法
以商用6016合金作为基础，通过改变Mg含量，设计2种合金成分，见表1。将1mm厚的冷轧板材在马弗炉内560℃固溶5min，然后迅速取出水淬，随之在低温炉内进行180℃的预时效，保温时间15min使一部分沉淀相析出。
将时效之后的合金按照ASTME290利用线切割获得A80试样，在拉伸机上预拉伸10%，拉伸方向为0°方向（与轧制方向平行，简称“0°方向试样”）和90°方向（与轧制方向垂直，简称“90°方向试样”）。预拉伸结束后，将拉伸试样的平行段剪切得到20mm×70mm的矩形试样。弯曲测试根据GB/T232-2010执行，其中三点弯曲的压头半径为1mm，V型槽角度为150°。压头下压速度为6mm/min。三点弯曲结束后，将V形试样继续在拉伸机上用压缩模式使之平压到180°，压力为50N。在压缩之前，在试样中间放入厚度为1mm的垫片，垫片边缘和试样的弯曲轴线平行且保持1mm的距离。材料的微观组织用TEM和EBSD进行表征，TEM表征设备型号为PhilipsCM20，电压为200kV。TEM试样先用SiC砂纸磨到100μm，再用离子减薄到80μm左右，随后冲裁成直径为3mm的圆片，利用MIT2Ⅱ型双喷电解仪双喷得到薄区，电解液为体积分数为30%的HNO3+70%CH3OH的混合液体，利用液氮冷却至-25℃，电压为10~20V，电流为80~100mA。试样的织构用EBSD进行表征，设备型号为ZEISSEVOMA10，试样先用SiC砂纸磨到3000目之后，再用机械抛光得到光洁表面，最后进行化学抛光去掉表面应力层，化学试剂为10%HClO4+90%H2O，电压为20V，时间为20s，扫描步长为2μm。
表1合金1和合金2的化学成分
2试验结果
图1是合金1和合金2分别在0°和90°方向试样上折弯180°后的端面形貌。可以发现，2种合金折弯之后表面均出现平行于折弯轴的非连续裂纹，合金1裂纹的深度和长度上均小于合金2，即合金1的折弯性能优于合金2。注意到表1中2种合金的Mg含量不同，这可能是引起折弯性能产生差别的原因。
（a）合金1，0°（b）合金1，90°（c）合金2，0°（d）合金2，90°
图1合金1和合金2试样0°和90°方向折弯后形貌
图2为合金2的0°试样表面的SEM形貌。从图2a可以发现两类不同的变形区域：变形量很大进而产生明显裂纹的区域和在相邻裂纹之间，变形量相对较小区域，视觉上凸起。这表明合金在折弯过程中，这两类区域在外力作用下，对变形的抵抗能力存在差别，或者说，两类区域由于强度的不同，强度小的区域承担了相对较多的变形量，进而产生开裂。图2b显示的是局部变形特征，在视场范围内，各个区域的变形不均匀，变形程度差别很大，没变形区域和产生滑移带区域对比明显。在箭头指示的区域，出现很严重的应变集中，甚至出现裂纹。根据变形轮廓，这些区域可以判定为晶界附近。比如，黄色箭头指示区域是明显的晶界开裂，说明晶界附近局部剧烈变形是引发开裂的重要原因。
(a)低倍(b)高倍
图2合金2试样经过180°折弯之后的表面形貌(箭头处为扫描点)
针对折弯试样顶端位置的裂纹，图3a反映了裂纹扩展前沿的特征，实线箭头和虚线箭头分别指示的裂纹尖端和裂纹扩展方向。可以看出，在裂纹两侧，分布密度很大的滑移带。进一步观察，裂纹扩展前沿为滑移带撕裂尖端，说明这些滑移带为裂纹扩展提供了通道。研究结果表明，滑移带是晶内变形的重要表现形式，这意味着，变形之后，晶内滑移带对裂纹的扩展起到了促进作用。
(a)裂纹扩展前沿(b)裂纹两侧
图3.合金2经过180°折弯之后的表面形貌
图3b为另外一种断裂特征，在相邻的3个晶粒中，标记2的晶粒产生了4条明显的裂纹，而相邻的标记1和标记3的晶粒无开裂现象。这可能是由于这3个晶粒存在较大晶粒取向差异，晶粒2产生裂纹与其特殊取向有关。
图4为合金1和合金2的TEM图。可以看到，2种合金试样都存在典型的无沉淀析出带（PFZ），PFZ是6xxx合金时效之后的典型组织，PFZ的宽度直接影响合金的成形性能。另外，从图4c和图4d可以看出，两种合金经过预时效后，有明显的GP区和β"相产生，合金1的析出相要少于合金2，这与合金2含有较高的Mg有关。
图3b显示，试样的裂纹产生可能与晶粒取向有关，为了进一步证实此判断，分别对合金1和合金2进行EBSD表征，结果见图5和图6。图5a和图6a显示，2种合金均发生了完全再结晶，晶粒形貌呈等轴状，平均尺寸分别为43μm和40μm，说明Mg含量增加对晶粒细化有积极作用。从图5b和图6b可以看出，合金1表现为强烈的立方织构，合金2除了较强的立方织构外，还有P织构和Brass织构。图5c和图6c为对应的极图，可以看出合金1除了单一的立方织构外，鲜有其他织构，但是合金2表现为，相对于合金1，呈现出织构类型多样，织构强度不集中的特点。合金1和合金2合金的织构上的差异可能是折弯性能不同的原因。
(a)合金1，PFZ(b)合金2，PFZ(c)合金1，沉淀相(c)合金2，沉淀相
图42种合金试样的TEM照片
(a)组织(b)ODF图（Φ=0°）(c)极图
图5合金1的EBSD图
(a)组织(b)ODF图（Φ=0°）(c)极图
图6合金2的EBSD图
为进一步了解织构对折弯性能的影响，分析了{001}和{011}织构的面积比，见图7。可以看出，合金1中{001}/{011}面积比（2:1）大于合金2中的面积比（1:1）。有研究表明，在Al-Mg-Si合金中，Mg、Si比除了会影响晶粒尺寸之外，也影响了Cube和P-types织构的形成比例，这与本研究的结果一致。因此，在对Al-Mg-Si合金的织构进行设计时，Mg含量是必须要考虑的一个重要因素。
（a）合金1，{001}织构（b）合金2，{001}织构（c）合金1，{011}织构（d）合金2，{011}织构
图7合金1和合金2在{001}和{011}织构面积比例
3分析和讨论
较低的Mg含量从微观组织上减少了Mg2Si沉淀相的数量，同时减少了晶内部分和晶界上PFZ的宽度，见图4。无沉淀析出带（PFZ）是6xxx合金经过时效之后的典型特征之一。合金在施加外力的情况下，由于Mg2Si沉淀相在各个区域之间分布不均匀，从而各个区域变形不均匀。换句话说，在沉淀相富集的区域，强度大，不容易变形；在沉淀相缺失的区域，强度小，容易变形（见图2和图4），折弯时容易造成开裂。
除了PFZ对折弯性能的影响外，本研究也把注意力放在Mg含量不同引起合金织构的变化，从而对折弯性能产生影响。合金1以Cube{001}100为主（见图5）。合金2为混合织构，除了Cube织构，还有Brass织构{011}211和P织构{011}566（见图6）。Cube的晶面指数为{001}，Brass织构和P织构具有相同的晶面指数{011}，把他们分别归纳为{001}织构和{011}织构。这两种织构占比在图7中直观表现出来。合金1中{001}织构明显多于{011}织构，而合金2相对合金1表现为{001}织构占比下降，而{011}织构占比增加。这种差异性对折弯性能的影响可以用图8解释。图8为反极图三角形的Schmid因子等高线，其中3个角001，011和111为3种面织构，当加载方向与晶面法向平行时，即可以得到这3种织构的最大Schmid因子。如图8所示，分别为0.41对应8个滑移系，0.42对应4个滑移系，0.27对应6个滑移系。如果滑移系越多，Schmid因子越大，则滑移越容易启动。在FCC立方晶体坐标系中，{001}织构具有8个高Schmid因子的滑移系，此Schmid因子的为0.42。在外力的作用下，非常容易同时启动多个滑移系，并且有多个滑移系的相互协调运动，避免了出现应力集中情况。相对应地，{011}织构具有6个且Schmid因子较小（0.27）的滑移系，这给启动滑移系的相互之间协调运动造成了困难，容易产生应力集中现象，进而引起开裂。图2a和图3b中，众多晶粒在折弯变形后，其变形程度存在很大的差别，从图8的分析结果来看，其变形程度的差异与这些晶粒的取向有直接联系，即Schmid因子大的晶粒容易变形，而Schmid因子小的晶粒难以变形。这种变形的不均匀性促使裂纹容易产生。
图8反极图三角形的Schmid因子等高线
4结论
增加Mg含量降低了合金的折弯性能，这归结于两个原因：一是Mg含量增加导致了PFZ的宽度增加，从而在折弯时应力集中引发开裂；二是Mg含量增加会引起织构组分增加，因此Schmid因子的差异性增加，使得晶粒之间的变形存在不协调的现象，合金更容易产生折弯开裂。
